钢桥面铺装结构温度应力数值分析＊

2015-08-27王守松郑玉芳陈柳燕

贵州大学学报(自然科学版) 2015年5期

王守松，郑玉芳，陈柳燕

(福州大学土木工程学院，福建福州350116)

钢桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设的关键技术之一，一直受到国内外学术界和工程界的高度重视与关注。桥面铺装不仅承受行车荷载，而且经受着气温变化的影响。铺装结构内部在环境温度下产生的温差对铺装结构的性能产生很大的影响。近年来，对于钢桥面铺装温度的研究颇受关注。文［1］、［2］运用有限元手段，根据气象资料，对钢桥面铺装温度场的分布特征进行了模拟分析和系统研究。文［3］建立了大跨径钢桥面铺装层温度应力的计算模型，推导出钢桥面粘弹性沥青铺装层温度应力计算式。文［4］研究了铺装层温度应力的日变化规律、分布特征及其影响因素。文［5］研究了在车辆荷载作用下，界面粘结层弹性模量和厚度变化对铺装体系受力的影响。

对于钢桥面铺装，铺装层与钢桥面板间界面粘结是钢桥面铺装的重点和难点。界面粘结的意义在于使粘结的两个结构层在界面上保持一致的变形，使得被粘结的两个物体作为一个整体共同受力，但是由于被粘结的物体一般为刚度韧性均不同的材料，在外力作用下，在界面处势必产生一定的变形，被粘结的物体的刚度不同将导致粘结层的两个接触界面并不是出于完全一致的变形，由此产生一定的剪切和受拉作用［5］。因此，研究粘结层的物理参数对环境温度下钢桥面铺装结构受力影响是十分必要的。

1 有限元分析模型

1.1 计算模型

视钢桥面铺装结构为弹性层状体系，从上至下由沥青混凝土铺装层、防水粘结层和钢桥面板组成。采用有限元软件ANSYS 建立空间三维模型，采用三维八节点的等参实体单元SOLID45 进行模拟。

为了对钢桥面铺装结构建立合理的力学模型以分析结构层间的应力分布，本文采用以下基本假定:

(1)各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体;

(2)各层层间竖向、水平位移连续;

(3)桥面板底板各向均有约束，侧面有水平方向的约束;

(4)不计结构自重的影响。

1.2 计算参数

经过取不同尺寸模型进行计算分析，进行保守的研究分析，最后确定模型的平面尺寸取3 m ×3 m。本文主要针对防水粘结层的弹性模量和厚度的变化对钢桥面铺装结构受力的影响进行分析，因此设置了不同的防水粘结层的弹性模量和厚度。各结构层的主要计算参数如表1 所示。铺装结构计算模型网格划分如图1 所示。

表1 各结构层主要计算参数

图1 铺装结构计算模型网格划分

1.3 温度荷载

暴露在自然气候条件下的钢桥面铺装结构，根据实测，铺装结构的温度比外界环境的温度高很多［6］。本文采用热-结构耦合分析中的间接法进行分析，即首先进行热分析，设定基准温度为30 ℃，将温度荷载(铺装面层65 ℃，钢板底面30 ℃)施加到模型上得出热分析的结果，下一步进行热应力分析，即将热分析所得的温度场结果作为体荷载施加到模型上计算热应力。热分析后铺装结构的温度分布如图2 所示。

图2 热分析后铺装结构的温度分布

2 结果分析

2.1 粘结层材料参数对铺装层受力的影响

为了研究环境温度下，桥面铺装层应力的变化规律，对不同的防水粘结层厚度和防水粘结层模量的桥面铺装结构进行温度应力分析。图3 和图4分别给出了防水粘结层的厚度和弹性模量对铺装层应力的影响。

从图3 可以看出，在温度荷载作用下，随着防水粘结层的厚度的增加，铺装层的最大拉应力和最大剪应力略微减小，总体影响很小。图4 则表明，在温度荷载作用下防水粘结层的弹性模量对铺装层的最大拉应力影响很小，铺装层的最大剪应力随着粘结层的弹性模量的增大而增大。当弹性模量从150 MPa 增加到400 MPa，铺装层的最大剪应力增大34.1%。

图3 防水粘结层的厚度对铺装层应力的影响

图4 防水粘结层弹性模量对铺装层应力的影响

由于模型假定各结构层均匀、连续、各向同性，防水粘结层的厚度较小，温度在铺装层内的传递和分布可视为不受防水粘结层的弹性模量和厚度的影响。在铺装层内由温度引起的最大拉应力和最大剪应力几乎不受粘结层厚度的影响。但是铺装层的最大剪应力随着防水粘结层模量的增大而增大，说明在温度荷载作用下，防水粘结层采用较小的弹性模量有利于改善铺装层的受力。

2.2 粘结层材料参数对层间应力的影响

假定防水粘结层和钢板层、防水粘结层和铺装层都处于完全粘结的状态，利用ANSYS 软件中的接触分析来模拟。以接触摩擦应力作为层间应力，分析在温度荷载作用下粘结层的弹性模量和厚度的变化对层间应力的影响。图5 和图6 分别给出了防水粘结层的厚度和弹性模量对层间应力的影响。

图5 防水粘结层厚度对层间应力的影响

图6 粘结层弹性模量对层间应力的影响

由图5 可知，铺装层与粘结层的接触面的层间应力随着粘结层厚度的增大而逐渐减小，呈线性关系。在防水粘结层的厚度为2 mm 时，铺装层与粘结层的层间应力为0.62 MPa，当铺装厚度增加到6 mm时，层间应力为0.51 MPa，减少了17.7%。钢桥面板与粘结层的接触面的层间应力随粘结层的厚度变化不大，有略微的增大。

由图6 可知，铺装层与粘结层的层间应力随着粘结层弹性模量的增大而增大。当粘结层的弹性模量为150 MPa 时，铺装层与粘结层的层间应力为0.59 MPa，当粘结层弹性模量增大到400 MPa 时，层间应力为0.92 MPa，增大了56%。钢桥面板与粘结层的层间应力也是随着粘结层的弹性模量的增大而增大。当粘结层的弹性模量为150 MPa 时，钢桥面板与粘结层的层间应力为0.71 MPa，当粘结层弹性模量增大到400 MPa 时，层间应力达到1.09 MPa，增大了54%。

以上分析可知，在环境温度下，钢桥面板与粘结层的层间应力大于铺装层与粘结层的层间应力，所以粘结破坏一般先出现在钢桥面板与粘结层的界面处。粘结层的弹性模量比厚度对层间应力的影响更大。增大厚度有利于减小铺装层与粘结层的层间应力，而粘结层弹性模量的增加则增加了层间应力，在设计粘结层时应该更多的考虑弹性模量对层间应力的影响，在技术指标的控制范围内，选择弹性模量较小的粘结材料。